Барри Паркер - Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения
Непривычность этого и ему подобных опытов отталкивала Эйнштейна. Он резко выступал против квантовой механики, за что подвергался суровой критике. Но аргументы Эйнштейна основывались на глубоком знании теории и отнюдь не были пустыми придирками. Он очень интересовался этой теорией и, как говорят, постоянно носил с собой книгу Дирака «Принципы квантовой механики». Эйнштейн прилагал массу усилий, чтобы выявить недостатки этой теории. Однажды он сказал: «Вы даже не представляете, с каким упорством я пытался найти удовлетворительный математический подход к квантовой теории, но пока безуспешно».
Усилия Эйнштейна не пропали даром. В 1935 году он указал на один из возможных недостатков теории, и к его идеям до сих пор относятся со всей серьёзностью. Вместе с Борисом Подольским и Натаном Розеном он опубликовал статью «Можно ли считать квантовомеханическое описание физической реальности полным?».
Рассмотрим упрощённый вариант приводимых в статье рассуждений. Предположим, что имеется система из двух частиц, вращающихся в противоположных направлениях. Будем считать, что спин (параметр, характеризующий вращение) одной из частиц направлен вверх, а другой – вниз. Пусть теперь эти частицы каким-то образом разделяются, например разлетаются в противоположных направлениях. Предположим далее, что одна из них улетает в окно, а другая попадает в лабораторную установку, где определяется её спин. Допустим, что спин второй частицы направлен вверх; отсюда следует, что спин первой направлен вниз. Таким образом, мы получаем информацию об одной из частиц, не проведя над ней измерения. Но это противоречит копенгагенской интерпретации, из которой следует, что до тех пор, пока не выполнено измерение, объект не существует – ни одна частица не существует без измерения.
Ясно, что этот парадокс требовалось разрешить. Объяснение ему было дано в середине 60-х годов. Сотрудник ЦЕРН (Европейского центра ядерных исследований) Джон Белл в 1964 году предложил способ разрешения указанного парадокса. Теперь он носит название неравенства Белла.
Первые проверки не дали определённого результата – одни из них, казалось, подтверждали правоту Эйнштейна, другие – Бора. Но в 1983 году эксперименты, проведённые в Парижском университете Аленом Аспеком, дали, по-видимому, решающий результат – неравенство Белла нарушается. Прав оказался Бор.
Означает ли это, что квантовая теория окончательно решает все проблемы и невозможно создать более фундаментальную теорию, о которой говорил Эйнштейн? Видимо, шансов на это мало, но всякое бывает – наука в своём развитии иногда делает странные зигзаги.
Претензии к квантовой теории высказывал не только Эйнштейн. Макс Планк, впервые предложивший идею квантов, так полностью и не принял эту теорию, а Шрёдингер в итоге пришёл к выводу, что она не является окончательной. Совсем недавно, в 1979 году, Поль Дирак заявил: «Ясно, что современная квантовая механика ещё не приняла законченной формы. Очень может быть, что в новой квантовой механике будет присутствовать детерминизм, который имел в виду Эйнштейн… Вполне вероятно, что он окажется прав».
Принстонский физик Дэвид Бом много лет посвятил поискам фундаментальной теории. Он твёрдо убеждён в том, что в ней должны быть скрытые переменные, хотя большинство физиков считает, что это не так. Он уверен, что квантовая механика имеет окончательный вид, и согласен с копенгагенской интерпретацией.
Другая фундаментальная физическая теория – теория относительности – была опубликована в 1905 году. В ней речь шла не о мире атомов, а о понятиях пространства, времени и массы (а также электрического и магнитного полей). За несколько лет до этого учёные Юнг и Френель показали, что свету присущи некоторые явления (интерференция и дифракция), свойственные только волнам. Если свет – тоже волна, то для его распространения нужна какая-то среда; это можно пояснить на таком примере. От брошенного в воду камня во все стороны кругами расходятся волны; если бы в месте падения камня не было воды, не было бы и волн. Очевидно, для распространения волн нужна среда, в данном случае вода. Для света наличие такой среды неочевидно, поэтому физики её придумали и назвали эфиром. Предполагалось, что эфир заполняет всю Вселенную, но свойства эфира (прозрачность, несжимаемость, невосприимчивость к действию тяготения) затрудняют его обнаружение. И хотя изобретением эфира удалось устранить проблему распространения света, тут же появилась новая трудность – эфир оказался системой отсчёта для всей Вселенной. Это означало, что можно использовать его для определения нашей абсолютной скорости относительно Вселенной в целом. Эфир был чем-то вроде гигантского озера, а на озере измерить свою скорость даже без спидометра очень легко. Нужно бросить буй и следить за тем, насколько быстро он удаляется.
Чтобы найти скорость, с которой Земля движется сквозь эфир, два физика, Майкельсон и Морли, выполнили в 1887 году остроумный эксперимент. В качестве буя они использовали луч света, послав его в направлении движения Земли по орбите. Так как свет распространяется в эфире, а Земля имеет некоторую конечную скорость в том же направлении, нам должно было бы казаться, что луч движется от нас с меньшей скоростью, чем от неподвижной Земли (предполагается, что эфир около Земли не испытывает возмущений); однако, выполнив свой опыт, Майкельсон и Морли с удивлением обнаружили, что мы, т.е. Земля, не догоняем свет. Луч света имеет постоянную скорость, не зависящую от нашей; это значит, что с какой бы скоростью мы не гнались за светом, догнать его невозможно. Свет всегда будет двигаться со скоростью 300 000 км/с.
В течение многих лет учёные пытались понять смысл этого загадочного результата. Приближённые формулы независимо получили Г. А. Лоренц в Нидерландах и Ф. Фицджералд в Ирландии, но они не объяснили, что же происходит на самом деле. Лишь в 1905 году с созданием специальной теории относительности загадка была решена. Эйнштейн не знал о результате опыта Майкельсона и Морли; он решил задачу, подойдя к ней с другой стороны. Его интересовало, что происходит с электрическим и магнитным полями при скоростях, близких к скорости света, но созданная им теория описывала гораздо больше, чем поведение этих полей. В ней говорилось, что происходит с пространством, временем и массой, когда тела движутся со скоростями, близкими к световой. Пространство растягивается (движущиеся объекты становятся короче), время замедляется, а масса возрастает. (На самом деле это происходит при всех скоростях, но становится заметным при скоростях, близких к скорости света.) Из этой теории следовало также, что эфир не нужен.
В 1916 году Эйнштейн распространил специальную теорию относительности, касавшуюся только равномерного прямолинейного движения, на все виды движения. В результате получилась общая теория относительности, из которой следует, что пространство может быть не только растянуто, но и искривлено, причём настолько сильно, что перестает существовать во Вселенной. (Речь об этой теории пойдёт в гл. 2.)
Мечта Эйнштейна
Квантовая теория и теория относительности – столпы современной физики. Одна описывает микрокосм, другая (общая теория относительности) – макрокосм, и обе они прекрасно справляются со своими функциями в соответствующих областях. Когда отказывает классическая (ньютонова) теория, когда она больше не может давать ответ на наши вопросы, на сцену выходят две теории, дающие правильные ответы. Правда, расплачиваться приходится потерей наглядности. Если в классической (ньютоновой) теории всегда можно было представить себе, что происходит, в новых теориях это не так. Пользуясь ими, мы вынуждены отказываться от мира ощущений и принимать новые, странные понятия.
Но раз классическая теория не годится для описания микро- и макрокосма, возникает естественный вопрос – не отказывают ли при каких-то условиях квантовая теория и теория относительности? Мы уже видели, что при больших скоростях ньютонову теорию приходится дополнять теорией относительности. Точно так же для больших скоростей пришлось видоизменить и квантовую теорию. Автором этой новой теории, получившей название релятивистской 20 квантовой механики, стал английский физик Поль Дирак.
Квантовая теория и общая теория относительности – совершенно разные теории, характеризующиеся различными «языками». Кажется даже, что между ними нет никакой связи, ничего общего. Но почему две теории, почему нет одной, которая описывала бы и микро- и макрокосм? Более того, если вспомнить о четырёх фундаментальных взаимодействиях, то проявится новый аспект проблемы – гравитационные взаимодействия описываются общей теорией относительности, а остальные три (электромагнитные, сильные и слабые) рассматриваются в квантовой теории. Ни одна теория не охватывает всех четырёх полей. Кроме того, остаются трудности с элементарными частицами – непонятно, например, какая связь между двумя фундаментальными семействами, лептонов и кварков.
